CN101479882A - 用于无线设备的嵌入式多模天线结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于与诸如膝上型计算机之类的计算设备一起使用的低截面、紧凑型嵌入式的多模天线设计，其能够容易地集成到具有有限空间的计算设备中，同时在约0.8GHz到约11GHz的带宽上提供适合的天线特性(例如：阻抗匹配和辐射效率)。

Description

用于无线设备的嵌入式多模天线结构
技术领域
本发明一般地涉及用于无线设备的低截面、紧凑型嵌入式天线设计，其支持多种无线应用模式的无线连接性和通信。更特别地，本发明涉及这样的低截面、紧凑型嵌入式天线设计，其能够容易地集成至具有有限空间的无线设备中，同时提供用于基于多个无线应用标准的宽带操作的合适的天线特性和性能。
背景技术
日益增长的对无线连接的市场需求与集成电路技术的创新相结合，已经推动了配备有低成本、低功率和紧凑单片集成的射频发射器、接收器和带有集成天线的收发器系统的无线设备的发展。实际上，例如，已经开发出各种类型的带有嵌入式无线系统的无线设备以支持诸如WPAN(无线个人局域网)、WLAN(无线局域网)、WWAN(无线广域网)和蜂窝网络应用之类的无线应用。特别地，诸如2.45GHz ISM(工业科学医疗)、WLAN 5.2/5.8GHz、GPS(全球定位系统)(1.575GHz)、PCS1800、PCS1900和UMTS(1.885-2.2GHz)系统之类的无线标准正变得日益流行地用于膝上型计算机和其他便携设备。另外，覆盖3.1GHz-10.6GHz波段的超宽带(UWB)无线系统已经被提出作为下一代无线通信标准，以增加室内低功率无线通信或本地系统(特别是针对短距离WPAN应用)的数据速率。使用UWB技术，无线通信系统可以在超过100％的带宽上以通常小于-41.3dBm/MHz的低发射功率来发射和接收信号。
通常，无线设备被设计成具有被布置在这种无线设备的外壳外部或者被内嵌在这种无线设备的外壳内的天线。例如，便携式膝上型计算机可以具有安装在该膝上型计算机的显示单元的顶部区域上的外部天线结构。另外，膝上型计算机可具有供与PC卡结合使用的卡接口，在所述PC卡上形成有天线结构。然而，这些和其他外部天线设计具有许多缺陷，其包括例如高制造成本、天线容易毁坏、由于外部天线带来的便携设备的难看的外观。
在其他传统方案中，天线可被内嵌在设备外壳内。例如，对于便携式膝上型计算机设计，天线结构可以被内嵌在膝上型计算机的显示单元内。通常，嵌入式天线设计要优于外部天线设计，原因在于嵌入式天线减少或消除了天线毁坏的可能性，并且给无线设备提供了更好的外观。然而，使用嵌入式天线设计，天线性能可能因为无线设备外壳具有有限空间以及有耗环境而受到不利影响。例如，内嵌在膝上型计算机的显示单元内的天线可能受到来自诸如金属显示器盖、显示面板的金属框等周围金属部件或者在该嵌入式天线结构附近的其他有耗材料的干扰，并且必须布置成远离这种对象和材料。
因为计算设备被做成具有日益有限空间的更小尺寸，所以嵌入式天线必须被设计成具有更加紧凑的结构和截面，并同时维持足够的天线性能。特别在必须针对宽带、多模式无线应用来设计天线的时候，构建这种天线的能力不是平常的并且可能存在问题。实际上，虽然多波段天线可以被设计成具有多个不同的辐射元件以实现在多个工作波段上的工作，但是用以在不同的工作波段上获得合适的天线性能的能力常常需要较大尺寸的多波段天线结构，其可能不满足在膝上型计算机或其他无线设备内的空间约束条件。这已经激发了对低截面、紧凑多波段、多标准的嵌入式天线构架的需求，这种天线构架能够覆盖宽广的工作带宽，用于与无线设备一起实现以支持多个无线系统/标准。
发明内容
通常，本发明的示例性实施例包括用于无线设备的低截面、嵌入式多模式天线设计，其支持多种无线应用模式的无线连接性和通信。本发明的示例性实施例包括低成本、低截面和紧凑型嵌入式天线设计，其能够容易地集成在具有有限空间的无线设备内，同时提供合适的天线特征和性能以支持在多个无线应用标准上的宽带操作。
在本发明的一个示例性实施例中，天线包括具有第一和第二相对的基底表面的平面基底，以及在该平面基底的第一表面上形成的第一平面辐射元件和第二平面辐射元件。第一平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案具有第一多边形图案和从该第一多边形图案延伸的伸长的条带图案。该第一平面辐射元件具有限定第一多边形图案的一部分的第一边和限定该第一多边形图案和该伸长的条带图案二者的一部分的第二边。该第二平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案具有部分地由该第二平面辐射元件的第一边所限定的第二多边形图案。第一和第二平面辐射元件被布置在该平面基底的第一表面上，使得该第一平面辐射元件的第一边与该第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开。第一和第二平面辐射元件被按规定的尺寸制作、成型和定维度(dimension)以提供从大约1.0GHz到大约11GHz的宽带工作范围，从而支持覆盖包括GPS波段(1.575GHz)、PCS波段(1.710-1.880GHz/1.850-1.990GHz)、ISM波段(2.45、5.15-5.35和5.47-5.825GHz)以及UWB(3.1-10.6GHz)波段的频率波段的多个无线标准，并且在这些工作波段上具有期望的性能特性。
在一个示例性实施例中，天线是平面盘锥(discone)天线，其中第一平面辐射元件是非对称形状的平面圆盘元件，而第二平面辐射元件是具有由该第二平面辐射元件的第一边所限定的锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
在另一示例性实施例中，天线是平面双圆锥天线，其中第一平面辐射元件是具有由该第一平面辐射元件的第一边所限定的第一锥形尖的非对称形状的平面锥形元件，而第二平面辐射元件是具有由该第二平面辐射元件的第一边所限定的第二锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
在本发明的又一示例性实施例中，平面基底是柔性基底，其沿着至少第一折线和第二折线弯曲以限定非共面的第一基底部分、第二基底部分和第三基底部分。第一折线将第一基底部分和第二基底部分分隔开，并且第二折线将第二基底部分和第三基底部分分隔开。在一个实施例中，第一折线延伸穿过第二平面辐射元件，而第二折线延伸穿过第一平面辐射元件，使得该第一和第二平面辐射元件的第一边被布置在第二基底部分中。第一和第二基底部分可被布置成基本上是彼此正交的，并且第二和第三基底部分可被布置成基本上是彼此正交的。在弯曲配置中，天线可以被内嵌在显示单元中，其中第一基底部分被布置在显示面板和显示器盖之间，并且其中第二基底部分被布置在所述显示器盖的侧壁的外部并且基本上平行于所述显示器盖的侧壁。
在本发明的又一实施例中，柔性基底可以沿着第三折线弯曲，该第三折线沿所述第一平面辐射元件的第二边延伸，以进一步减小膝上显示单元内的天线结构的高度。另外，金属背面电极(back-plate)图案被布置在基底的第二表面上，并且与平面基底的第一表面上的第一平面辐射元件的一部分对准，从而提供调谐元件以补偿可能由天线附近的显示面板所导致的干扰。
在本发明的其他示例性实施例中，可以包括一个或多个另外的平面辐射元件，诸如分支元件、耦合的元件、或者分支元件和耦合元件二者来作为天线的一部分，以在除工作在由第一和第二平面辐射元件提供的1.5-10.6GHz波段之外，还实现工作在0.8/0.9GHz波段。
例如，在一个示例性实施例中，天线包括具有第一和第二相对的基底表面的平面基底，以及在平面基底的第一表面上形成的第一平面辐射元件、第二平面辐射元件、第三平面辐射元件和第四平面辐射元件。该第一平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案包括第一多边形图案和从该第一多边形图案延伸的伸长的条带图案。该第一平面辐射元件包括：限定第一多边形图案的一部分的第一边、第二边和第三边，以及限定第一多边形图案和伸长的条带图案二者的一部分的第四边。该第二平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案包括部分地由第二平面辐射元件的第一边所限定的第二多边形图案。第一和第二平面辐射元件被布置在平面基底的第一表面上，使得第一平面辐射元件的第一边与第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开。第三平面辐射元件是连接到第一平面辐射元件的伸长的分支元件。该伸长的分支元件的至少一部分被布置成与第一平面辐射元件的第二边邻近且隔开。第四平面辐射元件是连接到第二平面辐射元件的伸长的耦合的元件，其中该伸长的耦合的元件的至少一部分被布置成与第一平面辐射元件的第三边邻近且隔开。在一个实施例中，伸长的分支辐射器可在靠近第一辐射元件上的天线馈点处连接到第一平面辐射元件。
在本发明的又一实施例中，天线包括具有第一和第二相对的基底表面的平面基底，以及在平面基底的第一表面上形成的第一平面辐射元件、第二平面辐射元件、第三平面辐射元件和第四平面辐射元件。该第一平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案包括第一多边形图案和从该第一多边形图案延伸的伸长的条带图案，其中该第一平面辐射元件包括：限定第一多边形图案的一部分的第一边、第二边和第三边，以及限定第一多边形图案和伸长的条带图案二者的一部分的第四边。该第二平面辐射元件是非对称形状的图案，该图案包括部分地由第二平面辐射元件的第一边所限定的第二多边形图案。第一和第二平面辐射元件被布置在平面基底的第一表面上，使得第一平面辐射元件的第一边与第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开。第三平面辐射元件是连接到第一平面辐射元件的伸长的分支元件，其中该伸长的分支元件的至少一部分被布置成与第一平面辐射元件的第二边邻近且隔开。第四平面辐射元件是连接到第二平面辐射元件的伸长的耦合的元件，其中该伸长的耦合的元件的至少一部分被布置成与第一平面辐射元件的第三边邻近且隔开。在一个实施例中，伸长的分支元件辐射器可在靠近第一辐射元件上的天线馈点处连接到第一平面辐射元件，并且伸长的耦合的元件在靠近天线馈点处连接到第二平面辐射元件。
通过结合附图阅读以下对示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其他示例性实施例、特征和优点将被描述并且变得显而易见。
附图说明
图1A～图1D示意性地说明根据本发明的一个示例性实施例的多模式天线。
图2示意性地说明根据本发明的一个示例性实施例的用于将多模式天线集成进膝上型计算机的显示单元的方法。
图3图示地说明示例性第一原型嵌入式多模式天线在1～11GHz的频率范围上进行的SWR(驻波比)测量，所述示例性第一原型嵌入式多模式天线基于图1A～图1D中所描绘的示例性框架来构建，并且被内嵌在具有镁显示器盖的膝上型计算机的显示单元中。
图4图示地说明示例性第一原型嵌入式多模式天线在1～10GHz的频率范围上进行的峰值增益和平均增益(单位为dBi)测量。
图5A和图5B示意性地说明根据本发明的另一示例性实施例的多模式天线。
图6图示地说明示例性第二原型嵌入式多模式天线在0.8～11GHz的频率范围上进行的SWR(驻波比)测量，所述示例性第二原型嵌入式多模式天线基于图5A和图5B中所描绘的示例性框架来构建，并且被内嵌在具有镁显示器盖的膝上型计算机的显示单元中。
图7示意性地说明根据本发明的另一示例性实施例的多模式天线。
具体实施方式
一般而言，本发明的示例性实施例包括紧凑型嵌入式多模式天线设计，用于与诸如膝上型计算机之类的计算设备一起使用以实现无线连接性和通信。如下面将更详细讨论的，示例性多模式天线架构提供了有空间效率的、宽带的(0.8GHz～10.6GHz)、多标准的、能共同使用的天线设计，其非常适合用于膝上型计算机和其他便携设备，同时提供了针对最优系统需求的理想的天线性能。一般而言，根据本发明的示例性天线架构是建立在对2005年1月25日提交的标题为“Low ProfileEmbedded Ultra-Wideband Antenna Architectures for Wireless Devices”的序列号为No.11/042,223的美国专利申请中所描述的示例性天线结构的扩展的基础上，以实现例如更紧凑的、更小截面的、具有增大的工作带宽的天线结构，在此通过引用的方式并入上述专利申请的内容。
通常，与上面所引入的序列号为No.11/042,223的专利申请中所描述的那些结构相类似，根据本发明的示例性多模式天线设计是基于修改的平面盘锥或平面双圆锥天线架构，以获得具有宽工作带宽和其他合适的天线特性的紧凑天线截面。图8A～图8D是说明各种天线实施例的演变以示范根据本发明的示例性实施例的低截面多模式天线的设计原则的示意性示图。
具体地，图8A示出具有中央馈点(F)的带有镜像圆锥形元件(80-1)和(81-1)的三维双圆锥天线，其是本领域的普通技术人员所公知的天线架构，其提供了宽带阻抗响应。在图8B中，图8A中的上圆锥元件(80-1)可以被3D圆盘元件(80-2)替代，结果得到3D盘锥天线架构，其提供了具有更低截面的宽带宽天线结构。图8B中的天线的厚度可以通过修改图8B中的天线而减小，以形成具有平面条带元件(80-3)和平面圆锥元件(81-2)的平面盘锥天线(如图8C中所描绘)。虽然图8C中的平面盘锥天线可以被实现用于例如膝上型计算机应用，但是由于天线体积的显著减小，天线的宽带特性降低了。
根据本发明的示例性实施例，可以通过修改圆锥元件(81-2)以具有多边形形状，以及用边或平滑圆弧替代圆锥尖(点)，从而形成元件(81-3)，以及用诸如图8D中所示出的具有额外伸展的伸长条带的多边形形状的非对称形状元件(80-4)替代平面条带(80-3)，实现在宽带宽上的改善的阻抗匹配。图8D描绘了一个示例性架构，其可以通过使用此处所描述的结构和方法来进一步修改/精选以进一步减小天线尺寸而同时提供宽工作带宽。出于说明性的目的，在下文中将针对用于集成在便携式膝上型计算机(例如，IBM ThinkPad计算机)的显示单元内的低截面多模式嵌入式天线设计，来详细描述本发明的示例性实施例，但是不应当将这里的任何内容解释成对本发明的范围的限制。
图1A～图1D示意性地说明根据本发明的一个实施例的低截面多模式天线。更为特别地，图1A是低截面多模式天线结构(10)的示意性俯视图，该天线结构(10)包括第一辐射元件(11)(或“主辐射元件”)、第二辐射元件(12)(或“次辐射元件”)、以及多个支撑结构(14)，其是从平面绝缘/电介质基底(13)的第一(顶)表面上的金属材料(例如，铜)薄膜形成图案(patterned)或者以其他方式来形成的。另外，金属背面电极(15)(其在图1A中被虚构地描绘出来)是从基底(13)的第二(背)表面上的金属材料薄膜形成图案或者以其他方式来形成的。图1B说明示例性多模式天线结构(10)的尺度参数，下面将进行更详细的讨论。
基底(13)可以是由聚酰亚胺材料制成的柔性基底(或“柔韧性”)，其是具有长度L和宽度W的矩形形状。图1A描绘平面多模式天线结构(10)，其取决于空间限制等可以被内嵌在无线设备内。对于嵌入式膝上型计算机应用，该多模式天线(10)可以沿着折线B1、B2和B3弯曲以形成更为紧凑的截面，以便例如集成在膝上型计算机的显示单元内(在下文中将参考图2进行讨论)。具体地，图1C是说明当图1A中的多模式天线(10)沿着折线B1、B2和B3以连续的直角进行弯曲时从线1C-1C获取的示意性侧视图。
在该弯曲配置中，天线基底(13)包括被限定在第一基底边E1和折线B1之间的第一基底部分(P1)(或者第一水平部分)、被限定在折线B1和B2之间的第二基底部分(P2)(或者第二垂直部分)、被限定在折线B2和B3之间的第三基底部分(P3)(或者第三水平部分)、以及被限定在折线B3和第二基底边E2之间的第四基底部分(P4)(或者第四垂直部分)。矩形铜衬垫(14)提供支撑以维持多模式天线(10)在弯曲之后的结构，同时对天线性能具有可以忽略不计的影响。图1D是基底(13)沿着图1C中的线1D-1D的在折线B1和B2之间的背侧表面的示意图，其说明被布置在基底部分P2的背表面上的金属背面电极(15)的图案。
在图1A～1D中的示例性实施例中，第一和第二辐射元件(11)和(12)形成基于诸如上面参考图8C和8D所讨论的修改的平面盘锥天线(或修改的平面双圆锥天线)架构的天线结构，以提供针对宽带应用的具有宽工作带宽的紧凑天线结构。
通常，第一辐射元件(11)具有非对称形状的图案，其包括具有多边形形状的第一部分(11a)以及从第一部分(11a)开始沿着第一辐射元件(11)的上侧边延伸的伸长的条带图案。具体地，第一部分(11a)具有多边形形状，其部分地由沿着折线B3(见图1B)的长度为L5的上侧边以及会聚朝向并连接到第一辐射元件(11)的底边(11b)(长度为L5)的相应末端的锥形边T1、T2来限定。该伸长的金属条带(11c)沿着折线B3从第一部分(11a)的顶侧延伸长度L6。
此外，第二辐射元件(12)通常具有非对称形状的图案，其由沿着整个基底边E1延伸的长度为W的底边、从底边开始沿着基底边E4延伸的长度为L1的侧边、从底边开始沿着基底边E3延伸的长度为L2的侧边、以及分别从基底(13)的相应侧边E3、E4延伸并且会聚朝向并连接到长度为L7的上侧边(12c)的相应末端的锥形边T3、T4来限定。
第一辐射元件(11)和第二辐射元件(12)的边(11b)和(12c)被彼此对准并且隔开间隙距离G。当基底沿着折线B1弯曲时，第二辐射元件(12)包括布置在基底部分P1上的第一部分(12a)和布置在第二基底部分P2上的第二部分(12b)(或圆锥尖区域)，其中第一辐射元件的边(11b)被布置在第二辐射元件(12)的第一部分(12a)上方从折线B1开始的高度H1处。第一辐射元件(11)由例如延伸自50Ω同轴线(16)的探针(内导体)来馈电，其中该探针与底边11c的中点对准。同轴电缆(16)的外接地屏蔽经由焊接连接而电连接到接地元件(12)。
基本上，第一辐射元件(11)和第二辐射元件(12)可以被视为形成了修改的平面双圆锥天线或修改的平面盘锥天线结构。例如，第一辐射元件(11)可以被视为包括修改的平面圆锥元件(也即，修改为具有延伸的条带(11c)和具有边(11b)的形状的圆锥尖)的非对称形状元件，或者可以被视为修改的平面圆盘元件(也即，修改为包括在总长度为L5+L6的平面圆盘条带中的L5长度部分上形成的圆锥形部分(11a))。而且，第二辐射元件(12)可以被视为非对称形状元件，其包括具有以边(12c)的形式存在的圆锥尖的修改的平面圆锥元件。第一辐射元件(11)和第二辐射元件(12)被设定尺寸并成型，以提供宽带阻抗匹配和低截面结构。
第一辐射元件(11)提供多模式天线(10)的主辐射并且基本上是调谐元件，从而第一辐射元件(11)的尺寸的小改变会极大地影响多模式天线(10)的工作频率和阻抗匹配。第二辐射元件(12)是次辐射元件，其提供很少的或者非实质的辐射，从而第二辐射元件(12)基本上可以被考虑为“接地”(尽管天线元件(12)在被布置在便携式设备中时不应当直接连接到金属/接地的元件)。然而，第二辐射元件的尺寸对工作带宽中的较低频率处的阻抗匹配具有显著的影响。第二辐射元件(12)被设定尺寸并成型，以实现减小多模式天线(10)的主辐射元件(11)的高度。第一辐射元件(11)的伸长的条带元件(11c)的尺寸可以被调整以调节天线的阻抗匹配，特别是在工作带宽中的较低频率处的阻抗匹配。宽带阻抗变换器是依靠被形成为边(11b)和(12c)的元件(11)和(12)的圆锥尖部分来获得的。间隙G极大地控制阻抗匹配，特别是在较高频率处。馈点D1的位置优选地是靠近上侧的多边形辐射元件(11)的底边(11b)的中点。馈点的位置也影响阻抗匹配。
根据本发明的一个示例性实施例，在图1A～图1D中所描绘的示例性多模式天线(10)可以通过使用图2中示意性地说明的技术而被内嵌在膝上型计算机的显示单元内。图2是膝上型计算机显示单元(50)的示意性侧视图，该显示单元(50)包括诸如图1A～图1D中所描绘的示例性多模式天线(10)的嵌入式多模式天线结构。显示单元(50)包括显示器盖(51)和显示面板(52)(例如，LCD)。显示器盖(51)包括背部部分(51a)和侧壁部分(51b)。显示面板(52)被示出为具有厚度t1并且通过使用金属显示面板框架(未示出)而固定到显示器盖(51)，从而在显示面板(52)的背侧与显示器盖(51)的背面板部分(51a)之间形成小空间。显示器盖(51)可以由金属材料(诸如镁)、合成材料(CFRP)或塑料材料(诸如ABS)来制成。取决于膝上型计算机的设计，出于电磁屏蔽的目的，屏蔽板(未示出)可以被布置在显示面板(52)的背侧上。
如在图2中所描绘，如在图1C中所描绘的多模式天线(10)结构可以通过将天线基底(13)的第一基底部分P1插入在显示面板(52)的背侧与显示器盖(51)的背面板(51a)的内表面之间，而集成进膝上型计算机的显示单元(50)中。而且，第一基底部分P1被布置在显示面板(52)的背侧与盖(51)的背面板(51a)的内表面之间，从而次辐射元件(12)的第二部分(12a)不接触金属物体。当显示器盖(51)由金属制成时，可使用绝缘带来覆盖次辐射元件部分(12a)和(12b)以确保与金属盖或者显示单元(50)的其他金属或接地元件不接触。
此外，显示器盖(50)的侧壁(51b)的一部分被移除，从而基底部分P2、P3和P4以及基底部分P1的末端部分在显示器盖(51)的侧壁(51b)的外表面之外突出长度为d的距离。如图2所描绘，在折线B1与B2之间的第二基底部分的高度H被选择，使得天线结构不会延伸超过显示器盖(51)的上表面。对于第一辐射元件(11)，优选地是被布置在显示器(52)的表面面板上以获得高辐射效率。
出于测试和确定根据本发明的示例性实施例的低截面多模式天线的电气属性和特性的目的，一种原型天线基于图1A～图1D中所描绘的示例性多模式天线架构而构建，以提供约1GHz到约11GHz的工作带宽，其中该原型天线被内嵌在诸如图2所描绘的膝上型应用的显示单元中。原型天线基底(13)由柔性聚酰亚胺基底材料以及1盎司的铜来制成，所述铜构成用以形成天线元件(11)和(12)以及支撑结构(14)的图案。参考图1B，聚酰亚胺基底(13)被形成为具有尺寸：L＝105mm，W＝70mm以及6mil的厚度。而且，以下原型多模式天线被构建成具有以下尺寸：L1＝47mm，L2＝67mm，L3＝23mm，L4＝55mm，L5＝46mm，L6＝22mm，L7＝4m，H＝12mm，H1＝3mm，H2＝4mm，H3＝4mm，H4＝2mm，以及G＝1mm。
通过使用图2中所描绘的方法，原型多模式天线被安装在具有镁显示器盖的IBM ThinkPad膝上型计算机内显示单元的右上方区域中。计算机的显示单元具有高度为15mm(内部)的盖侧壁。盖侧壁具有形成用于安装原型多模式天线的槽。长度为55mm的RF馈电电缆被安装穿过金属盖以对多模式天线进行馈电。在显示面板的框架与天线(底部)之间的最小距离大约是3mm。显示面板(51，图2)的厚度t1大约是5mm。原型多模式天线位于/被定位在图2中所描绘的显示单元(50)的外壳内。多模式天线被安装为使得第二基底部分P2延伸超出盖侧壁(51b)d＝5mm的距离。
在消声室中对安装在原型膝上型计算机内的原型多模式天线执行电压驻波比(VSWR或简写为SWR)和辐射测量。图3图示地说明被安装在膝上型计算机显示器中的原型多模式天线在1GHz-11GHz的频率范围上测量的SWR。如图3所示，示例性原型多模式天线提供足够的SWR带宽(3:1)以覆盖多个波段，其包括GPS波段(1.5GHz)、PCS波段(1800/1900)、2.4-2.5GHz ISM波段、5GHz WLAN波段以及UWB波段(3.1GHz-10.6GHz)。SWR是利用约2英寸的低损耗同轴电缆来测量的。在实际的膝上型计算机应用中，同轴电缆通常超过50cm长并且由于它的直径小的原因在2.4GHz频率处具有超过1dB的损耗，并且因此收发器处的SWR是2:1或者更好。
图4图示地说明示例性原型天线在1～10GHz的频率范围上进行的峰值增益和平均增益(单位为dBi)测量。虚线说明当膝上型计算机显示单元被打开相对基座单元呈90°时，在水平面之上金属显示器盖中的原型天线的测量的峰值增益而实线说明平均增益。平均增益是在水平面(图2中的y-z平面)中的360°上进行定义的。测得的峰值增益和平均增益值被发现在各个波段上变化不是很大。峰值增益和平均增益分别高于0dBi和-4dBi，其足够用于所有无线标准。
针对原型多模式天线测得的增益值被发现比利用典型的膝上型计算机天线可获得的增益值要好得多。该示例性原型多模式天线在具有由ABS和CFRP材料制成的显示器盖的其他膝上型计算机显示单元中进行了测试。与在镁显示器盖中相比，发现原型多模式天线在ABS和CFRP膝上型计算机显示器盖中测得的平均增益和峰值增益，分别稍高和稍低。
图5A和5B示意性地说明根据本发明的另一示例性实施例的低截面多模式天线。更为具体地，图5A和5B是具有第一辐射元件(11)和第二辐射元件(12)的低截面多模式天线结构(50)的示意性俯视图，该第一辐射元件(11)和第二辐射元件(12)具有与上面所讨论的在1.5-10.6GHz波段上提供宽带工作的示例性多模式天线(10)的结构相类似的结构。示例性多模式天线(20)还包括在800/900MHz波段中提供工作的第三平面辐射元件(21)。
具体地，第三平面辐射元件(21)是分支辐射元件，其在靠近边(11b)上的馈点处连接到主辐射元件(11)。该分支辐射元件(21)包括第一伸长的条带部分(21a)、第二伸长的条带部分(21b)和连接侧面部分(21c)。第一伸长的条带部分(21a)沿着第一辐射元件(11)的锥形边T2延伸，并且通过连接侧面部分(21c)连接到第二伸长的条带部分(21b)。第二伸长的条带部分(21b)沿着折线B3沿着第一辐射元件(11)的上边缘延伸，并且在靠近基底边E4的开放端处终止。
分支辐射元件(21)的元件(21b)和(21c)的总长度确定800/900MHz波段谐振频率。短元件(22)可用于提供在第一辐射元件(11)与分支辐射元件(21)上的点之间的短连接，以有效地改变分支辐射元件(21)的电气长度，并且由此调节分支辐射元件(21)的谐振频率。多模式天线(20)可以通过使用柔性基底(13)来形成，该柔性基底(13)可以沿着折线B1、B2和可选的B3弯曲以形成诸如图1C中所示的天线截面。
出于测试和确定具有如图5A和5B中所描绘的架构的低截面多模式天线的电气属性和特性的目的，一种原型多模式天线被构建以提供约800MHz到10.6GHz的工作带宽，其中该原型天线被内嵌在膝上型计算机应用的显示单元中，如图2中所示。原型天线基底(13)由柔性聚酰亚胺基底材料以及1盎司的铜来制成，所述铜构成用以形成天线元件(11)、(12)、(21)以及支撑结构(14)的图案。
参考图5B，聚酰亚胺基底(13)被形成为具有尺寸：L＝105mm，W＝70mm以及6mil的厚度。而且，以下原型多模式天线被构建成具有以下尺寸：L1＝52mm、L2＝62mm、L3＝28mm、L4＝50mm、L5＝54mm、L6＝17mm、L7＝4mm，L8＝28mm、L9＝21mm和L10＝12mm、H＝12mm、H1＝3mm、H2＝4mm、H3＝4mm、H4＝2mm和G＝1mm。原型多模式天线被放置/定位在显示单元(50)的外壳内，如图2中所示意性地描绘。多模式天线被布置为使得第二基底部分P2延伸超出盖侧壁(51b)d＝5mm的距离。
对具有镁显示器盖的原型膝上型计算机显示器中所安装的原型多模式天线执行电压驻波比测量。图6图示地说明原型多模式天线在0.8GHz-11GHz的频率范围上测得的SWR。图6说明原型多模式天线在800/900MHz波段中谐振。分支辐射元件(21)对1.5-10.6GHz波段具有某些影响，该影响可以通过增大第一辐射元件(11)与分支辐射元件(21)之间的间隙来最小化或者减小。应当明白，示例性多模式天线(20)提供了有效地覆盖从800MHz到10.6GHz的所有无线通信标准的另一低成本天线设计。
图7示意性地说明根据本发明的另一示例性实施例的低截面多模式天线。更为具体地，图7说明一种低截面多模式天线结构(30)，其具有第一辐射元件(11)、第二辐射元件(12)和第三辐射元件(21)，它们的结构与上述示例性多模式天线(20)中的结构相类似。示例性多模式天线(30)还包括第四平面辐射元件(31)以进一步改善针对在800/900MHz波段范围中的工作的第二波段性能。
具体地，第四平面辐射元件(31)是耦合的辐射元件，其在边(12c)上靠近边(11b)上的馈点处连接到次辐射元件(12)。耦合的辐射元件(31)包括第一伸长的条带部分(31a)和第二伸长的条带部分(31b)，其中第一伸长的条带部分(31a)沿着第一辐射元件(11)的锥形边T3延伸，第二伸长的条带部分(31b)沿着主辐射元件(11)的伸长的条带部分(11c)延伸，并且在靠近基底边E4的开放端处终止。耦合的辐射器的电气长度可以被选择成具有在800/900MHz中的谐振频率以在这个波段中提供更宽的工作带宽。
应当理解，上述示例性带宽、多模式天线都仅仅是说明性的实施例，并且本领域的普通技术人员可以容易地想到，可以基于此处的教导而实现其他多模式天线架构。例如，基于可用空间、期望的天线高度、工作频率范围、在工作波段中的某个频率处的辐射程度等，第一(主)辐射器元件可以被修改成具有各种类型的非对称形状。使用平面辐射器时，大家相信靠近平面辐射器的边缘出现最大辐射，由此具有尖锐不连续性的辐射器边缘的区域提供增大的辐射点，而具有平滑边缘的平面辐射器沿着边缘提供更为均衡的辐射。非对称形状往往会增大工作带宽。非对称结构被相信能防止元件上的电流分布的抵消。
尽管次辐射元件的形状不会极大地影响天线性能，但是这种元件的锥形形状能够实现宽带操作。次辐射元件的光滑的弯曲边缘可用于针对较宽的带宽提供某种程度改善的性能，尽管如上面提到的，次辐射元件对辐射贡献很小并且大的尺寸改变提供天线电气特性的小改变。
尽管此处已经参考附图描述了说明性的实施例，但是应当理解本发明不限于这些精确的实施例，以及本领域的普通技术人员在不偏离本发明的范围的情况下可以进行各种其他改变和修改。

Claims (35)

1.一种天线，包括：
平面基底，其具有第一和第二相对的基底表面；
第一平面辐射元件和第二平面辐射元件，其形成在所述平面基底的第一表面上；
其中所述第一平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第一多边形图案和从所述第一多边形图案延伸的伸长的条带图案，其中所述第一平面辐射元件包括限定所述第一多边形图案的一部分的第一边和限定所述第一多边形图案和所述伸长的条带图案二者的一部分的第二边；
其中所述第二平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第二多边形图案，其部分地由所述第二平面辐射元件的第一边所限定；
其中所述第一和第二平面辐射元件被布置在所述平面基底的第一表面上，使得所述第一平面辐射元件的第一边与所述第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开。
2.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线是平面盘锥天线，其中所述第一平面辐射元件是非对称形状的平面圆盘元件，而其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
3.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线是平面双圆锥天线，其中所述第一平面辐射元件是具有由所述第一平面辐射元件的第一边所限定的第一锥形尖的非对称形状的平面锥形元件，并且其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的第二锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
4.根据权利要求1所述的天线，其中所述平面基底是柔性基底，其至少沿着第一折线和第二折线弯曲以限定非共面的第一基底部分、第二基底部分和第三基底部分，其中所述第一折线将所述第一基底部分和第二基底部分分隔开，并且其中所述第二折线将所述第二基底部分和第三基底部分分隔开。
5.根据权利要求4所述的天线，其中所述第一折线延伸穿过所述第二平面辐射元件，其中所述第二折线延伸穿过所述第一平面辐射元件，并且其中所述第一和第二平面辐射元件的第一边被布置在所述第二基底部分中。
6.根据权利要求4所述的天线，其中所述第一和第二基底部分基本上是正交的，并且其中所述第二和第三基底部分基本上是正交的。
7.一种膝上型计算机，其具有内嵌在显示单元中的根据权利要求6所述的天线，其中所述第一基底部分被布置在显示面板和显示器盖之间，并且其中所述第二基底部分被布置在所述显示器盖的侧壁的外部并且基本上平行于所述显示器盖的侧壁。
8.根据权利要求4所述的天线，其中所述柔性基底沿着第三折线弯曲，所述第三折线沿所述第一平面辐射元件的第二边延伸。
9.根据权利要求1所述的天线，还包括金属背面电极图案，其被布置在所述基底的第二表面上，并与所述平面基底的第一表面上的第一平面辐射元件的一部分对准。
10.根据权利要求1所述的天线，还包括被连接到沿所述第一平面辐射元件的第一边的中点的单个馈电探针。
11.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线在约1GHz到约11GHz的带宽上工作。
12.一种天线，包括：
平面基底，其具有第一和第二相对的基底表面；
第一平面辐射元件、第二平面辐射元件和第三平面辐射元件，其形成在所述平面基底的第一表面上；
其中所述第一平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第一多边形图案和从所述第一多边形图案延伸的伸长的条带图案，其中所述第一平面辐射元件包括限定所述第一多边形图案的一部分的第一边和第二边、以及限定所述第一多边形图案和所述伸长的条带图案二者的一部分的第三边；
其中所述第二平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第二多边形图案，其部分地由所述第二平面辐射元件的第一边所限定；
其中所述第一和第二平面辐射元件被布置在所述平面基底的第一表面上，使得所述第一平面辐射元件的第一边与所述第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开，以及
其中所述第三平面辐射元件是连接到所述第一平面辐射元件的伸长的分支组件，其中所述伸长的分支元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第二边邻近且隔开。
13.根据权利要求12所述的天线，其中所述伸长的分支元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第三边的至少一部分邻近且隔开。
14.根据权利要求12所述的天线，其中所述天线是平面盘锥天线，其中所述第一平面辐射元件是非对称形状的平面圆盘元件，而其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
15.根据权利要求12所述的天线，其中所述天线是平面双圆锥天线，其中所述第一平面辐射元件是具有由所述第一平面辐射元件的第一边所限定的第一锥形尖的非对称形状的平面锥形元件，并且其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的第二锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
16.根据权利要求12所述的天线，其中所述平面基底是柔性基底，其至少沿着第一折线和第二折线弯曲以限定非共面的第一基底部分、第二基底部分和第三基底部分，其中所述第一折线将所述第一基底部分和第二基底部分分隔开，并且其中所述第二折线将所述第二基底部分和第三基底部分分隔开。
17.根据权利要求16所述的天线，其中所述第一折线延伸穿过所述第二平面辐射元件，其中所述第二折线延伸穿过所述第一和第三平面辐射元件，并且其中所述第一和第二平面辐射元件的第一边被布置在所述第二基底部分中。
18.根据权利要求16所述的天线，其中所述第一和第二基底部分基本上是正交的，并且其中所述第二和第三基底部分基本上是正交的。
19.一种膝上型计算机，其具有内嵌在显示单元中的根据权利要求18所述的天线，其中所述第一基底部分被布置在显示面板和显示器盖之间，并且其中所述第二基底部分被布置在所述显示器盖的侧壁的外部并且基本上平行于所述显示器盖的侧壁。
20.根据权利要求16所述的天线，其中所述柔性基底沿着第三折线弯曲，所述第三折线沿着所述第一平面辐射元件的第三边延伸。
21.根据权利要求12所述的天线，还包括金属背面电极图案，其被布置在所述基底的第二表面上，并与所述平面基底的第一表面上的第一平面辐射元件的一部分对准。
22.根据权利要求12所述的天线，还包括被连接到沿所述第一平面辐射元件的第一边的中点的单个馈电探针。
23.根据权利要求1所述的天线，其中所述天线在约0.8GHz到约11GHz的带宽上工作。
24.一种天线，包括：
平面基底，其具有第一和第二相对的基底表面；
第一平面辐射元件、第二平面辐射元件、第三平面辐射元件和第四平面辐射元件，其形成在所述平面基底的第一表面上；
其中所述第一平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第一多边形图案和从所述第一多边形图案延伸的伸长的条带图案，其中所述第一平面辐射元件包括限定所述第一多边形图案的一部分的第一边、第二边和第三边以及限定所述第一多边形图案和所述伸长的条带图案二者的一部分的第四边；
其中所述第二平面辐射元件具有非对称形状的图案，所述图案包括第二多边形图案，其部分地由所述第二平面辐射元件的第一边所限定；
其中所述第一和第二平面辐射元件被布置在所述平面基底的第一表面上，使得所述第一平面辐射元件的第一边与所述第二平面辐射元件的第一边邻近且隔开；
其中所述第三平面辐射元件是连接到所述第一平面辐射元件的伸长的分支组件，其中所述伸长的分支元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第二边邻近且隔开，以及
其中所述第四平面辐射元件是连接到所述第二平面辐射元件的伸长的耦合的元件，其中所述伸长的耦合的元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第三边邻近且隔开。
25.根据权利要求24所述的天线，其中所述伸长的分支元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第四边的至少一部分邻近且隔开。
26.根据权利要求25所述的天线，其中所述第一平面辐射元件包括限定所述伸长的条带图案的一部分的第五边，并且其中所述伸长的分支元件的至少一部分被布置成与所述第一平面辐射元件的第五边的至少一部分邻近且隔开。
27.根据权利要求24所述的天线，其中所述天线是平面盘锥天线，其中所述第一平面辐射元件是非对称形状的平面圆盘元件，而其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
28.根据权利要求24所述的天线，其中所述天线是平面双圆锥天线，其中所述第一平面辐射元件是具有由所述第一平面辐射元件的第一边所限定的第一锥形尖的非对称形状的平面锥形元件，并且其中所述第二平面辐射元件是具有由所述第二平面辐射元件的第一边所限定的第二锥形尖的非对称形状的平面锥形元件。
29.根据权利要求24所述的天线，其中所述平面基底是柔性基底，其至少沿着第一折线和第二折线弯曲以限定非共面的第一基底部分、第二基底部分和第三基底部分，其中所述第一折线将所述第一基底部分和第二基底部分分隔开，并且其中所述第二折线将所述第二基底部分和第三基底部分分隔开。
30.根据权利要求29所述的天线，其中所述第一折线延伸穿过所述第二平面辐射元件，其中所述第二折线延伸穿过所述第一、第三和第四平面辐射元件，并且其中所述第一和第二平面辐射元件的第一边被布置在所述第二基底部分中。
31.根据权利要求29所述的天线，其中所述第一和第二基底部分基本上是正交的，并且其中所述第二和第三基底部分基本上是正交的。
32.一种膝上型计算机，其具有内嵌在显示单元中的根据权利要求31所述的天线，其中所述第一基底部分被布置在显示面板和显示器盖之间，并且其中第二基底部分被布置在所述显示器盖的侧壁的外部并且基本上平行于所述显示器盖的侧壁。
33.根据权利要求30所述的天线，其中所述柔性基底沿着第三折线弯曲，所述第三折线沿着所述第一平面辐射元件的第四边延伸。
34.根据权利要求24所述的天线，还包括金属背面电极图案，其被布置在所述基底的第二表面上，并与所述平面基底的第一表面上的第一平面辐射元件的一部分对准。
35.根据权利要求12所述的天线，其中所述天线在约0.8GHz到约11GHz的波段上工作。
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